基于PLC的恒温恒压供水控制系统设计.doc

目录摘要 -Abstract -第一章、设计题目-1第二章、设计目的-1第三章、绪论-23.1国内外变频供水系统现状 23.2变频供水系统应用范围 23.3变频供水系统的发展趋势4第四章、设计内容-54.1系统概述及组成 54.2设计指标 74.3工作原理 74.4 变频恒压恒温供水系统的构成及控制原理 84.5执行机构 94.6信号检测和控制系统 104.7人机界面和通讯接口 124.8报警装置 124.9 变频恒压供水系统的控制方案 124.10控制系统的I/O点及地址分配 144.11变频恒压供水系统的水压恒定控制 17 第五章、结论- 20第六章、参考文献- 21摘 要本系统采用PLC进行逻辑控制，采用带PID功能的变频器进行压力调节，系统存在工作可靠，使用方便，压力稳定，温度可调，无冲击等优越性。本设计恒温恒压变频供水设备由PLC、变频器、传感器、低压电气控制柜和水泵，锅炉，温度传感器等组成。通过PLC、变频器、继电器、接触器控制水泵机组运行状态,实现管网的恒温恒压变流量供水要求。设备运行时,压力传感器不断将管网水压信号变换成电信号送入PLC,经PLC运算处理后,获得最佳控制参数,通过变频器和继电器控制元件自动调整水泵机组高效率地运行。供水系统的监控主要包括水泵的自动启停控制、供水压力水温的测量与调节、系统主管道水压的；系统水处理设备运转的监视、控制；故障及异常状况的报警等。现场监控站内的控制器按预先编制的软件程序来满足自动控制的要求，即根据供水管的高/低水压位信号来控制水泵的启/停及进水控制阀的开关，并且进行溢水和枯水的预警等。 与此同时，PLC系统得到各温度传感器的反馈，控制阀门的开关及锅炉的加热以至于达到加热的目的。文中详细介绍了所选PLC机、变频器、传感器的特点、各高级单元的使用及设定情况。关键词： 可编程控制器；变频器；传感器；PLCABSTRACT This system adopts PLC logic control, and transducer with PID function to adjust the pressure ,and adjust temperature through warming-up boiler after PLC get the feedback from the sensors, which presents many advantages, such as high reliability, convenience in use, stability in pressure，adjustment of temperature，and without impact.The design is made of Programmable Logic controller ，transducer, sensor, low pressure control manufacture tank, boiler，temperature sensors，etc. Through transducer and relay, contactor control pumping unit running status, the pipe network achieves to the requirement of constant pressure variable flow-rate water supply. When the equipment on-the-fly, pressure gauge without intermission translates the pipe network hydraulic pressure signal to electrical signal enter microcomputer, and through microcomputer arithmetic processing, obtains optimal control parameter. The dam press beforehand made up software program came satisfaction self governing oblige，namely on the basis of high or low-water signal came control radial diffuser influent valves switch, and proceed overfull and low waters grade from water tank and pond back of the monitor prime include radial diffuser automatism open cease dam , water level flow, man metric measuring and regulate；use water flow, displacement measure；water treatment equipment locomotive put in control；water quality detection；water conservation program control；malfunction and error state enter grade up under observation back of the through the medium of transducer and bang-bang control component self-correcting pumping unit expeditiously running. Water works on site supervision in station. At the same time，PLC get many feedback from sensors，then control valves switches and the boiler being heated，in order to adjusting the temperature.The paper mainly introduces the characters of the PLC, transducer, and sensor, the use of each high-quality unitary and design, and provides the flowchart of system work, program and design.Keywords：Programmable Logic controller； Transducer；sensor; boiler；PLC22第一章、 设计题目基于PLC的恒温恒压供水系统设计第二章、 设计目的1、通过该设计培养我们综合运用所学的理论知识、基础知识、基本技能进行分析和解决实际问题的能力。2、通过PLC喜用开发的综合训练，达到能够进行PLC系统设计和实施的目的。3、熟悉利用PLC对压力和温度进行控制的方法。4、熟悉各种传感器的性能和使用方法。第三章、绪论3.1国内外变频供水系统现状 变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。目前国外的恒压供水系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。国外变频供水系统在设计时主要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。这种方式运行安全可靠，变压方式更灵活。此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多，因而投资成本高。 国外生产的变频器，特别是供水厂用变频器，相对于国产变频器而言，价格明显偏高，维护成本也高于国内产品。 目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。3.2变频供水系统应用范围 变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类:(1)小区供水(加压泵站)变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站，特点是变频控制的电机功率小，一般在 135kw以下，控制系统简单。由于这一范围的用户群十分庞大，所以是目前国内研究和推广最多的方式.如希望集团 (森兰变频器)推出的恒压供水专用变频器。 (2)国内中小型供水厂变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。这类变频器电机功率在135kV沐320kw之间，电网电压通常为220V或380V。受中小水厂规模和经济条件限制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。 (3)大型供水厂的变频恒压供水系统 这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大、机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用了国外进口变频器和控制系统。如利德福华的一些高压供水变频器。在本文中，研究和设计的变频器是以第二种应用范围为基础。 目前国内，除了高压变频供水系统，多数恒压供水变频系统均声称只要改变容量就可以通用于各种供水范围，但在实际运用中，不同供水环境对变频器的要求和控制方式是不一致的，大多数变频器并不能真正实现通用。以中小水厂供水环境来说，由于其包括了自来水生产系统，其温湿度及腐蚀程度都大于常见小区和加压泵站，在水泵组搭配上、需要处理的信号(如水质信号停机管理)也多于小区供水系统，所以在部分条件复杂的中小水厂，采用通用的恒压供水变频系统并不能完全满足实践要求，现部分中小水厂已认识到这一情况，并针对实际情况对变频恒压供水系统加以改进和完善。3.3变频供水系统的发展趋势变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展。在国内外，专门针对供水的变频器集成化越来越高，很多专用供水变频器集成了PLC 或PID，甚至将压力传感器也融入变频组件。同时维护操作也越来越简明显偏高，维护成本也高于国内产品。 目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC 或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。第四章、设计内容 4.1系统概述及组成：系统的组成如下图所示： 该系统由俩台小泵（5.5KW）组成；PLC部分由西门子可编程控制器S7-200系列的CPU226，文本显示器TD200组成；变频器采用三菱FR-A540系列，功率22KW。 用户所需的生活用水压力、消防用水压力、运行方式等参数在TD200文本显示器上设定，压力传感器把用户管网压力转换为0-10V标准信号送进PLC模拟量模块EM235，PLC通过采样程序及PID闭环程序与用户设定压力构成闭环，运算后转换为PLC模拟量输出信号送给变频器，调节水泵电机转速，达到恒压供水的目的。 该系统有各个泵的运行时间累计功能，通过PLC的数据区保持可以断电记忆。每次起动时先起动1#小泵，当用水量超过一台泵的供水能力时，PLC通过程序实现泵的延时上行切换，切换原则为当前未运行的大泵累计运行时间最少的先投入；当压力超过时，PLC通过程序实现泵的延时下行切换，切换原则为当前正在运行的大泵运行时间最多的先撤出。直到满足设定压力为止。追求的最终目标为压力恒定。 当供水负载变化时，变频器的输出电压与频率变化自动调节泵的电机转速，实现恒压供水。 系统还可通过PLC的实时时钟自动定时供水，用户在TD200上设定每天最多6段（段数也可设定）定时供水，比如早上6：00到8：30，中午11：20到1：30等。 系统可动态显示各种参数，如设定压力，运行压力，水位高度，运行方式，实时时间，日历，各个泵的运行时间累计（精确到秒），运行状态，故障信息等等。为了不使系统中TD200画面显得死板，在PLC程序中控制TD200中的画面定时切换，动态显示；温度控制在40-60度之间，当传感器反馈的温度通过计算，平均低于40，则PLC控制锅炉加热至60度。 系统还有故障自诊断功能，各泵发生过载、缺相、短路、传感器断线、传感器短路、水位下限、水压超高、水压超低、变频器故障等，都会有声光报警，TD200上同时显示故障类型，通知设备维修人员处理，并可记忆故障发生时间及班次，以便追查原因及相关责任。4.2设计指标4.2.1温度控制要求：温度控制在30-40以内，当温度60时报警。把热电偶传感器放在水塔的水箱里，系统运行时，把热电偶采集来的温度值与设定的温度值做比较，当传感器的温度值低于30时，系统打开蒸汽开关，向布在水箱中的冷凝管中通蒸汽，以达到升温的目的；当传感器的温度值高于40时，系统打开冷气开，关向布在水箱中的冷凝管中通冷气以实现降温。当温度=60时，系统接通报警信号。4.2.2压力控制要求：出水口压力控制在0.2 MPa-0.30MPa，当压力低于0.1MPa时报警（最高压力由水箱上部的溢流口决定）。 在水塔底部的出水口处放置压力传感器采集水压信号并返回到系统中，将传感器的信号值与设定值做比较，当传感器压力值小于0.2 MPa时，系统打开控制电机的开关向水塔中加水，以达到加压的目的。当系统压力低于0.1 MPa时，系统接通报警信号。4.3工作原理： A、自动手动方式 （1）手动运行时，可按下按钮起动停止水泵在工频状态下运行，完全脱离开PLC及变频器的控制，该功能主要用在检修及自动系统出现故障时的应急供水方式中。 （2）自动运行时，全部泵的运行依程序自动工作。 上行过程：当在自动运行方式时，按下TD200上的起动软健，系统先起动1#小泵，PLC程序控制模拟量模块EM235给定变频器一固定频率输出，此时若用 PID运算输出直接控制变频器则（设定压力大，运行压力为零，所以运算输出最大）变频器依设定的上升时间运行，升速太快，系统冲击很大。等泵运行一会儿，管网压力积累后，再用PID运算输出控制变频器。具体时间和频率与管网系统有关，在现场调试时这两个参数在TD200上设定调整。管网越大，时间越长。 当 1#小泵到达50HZ后，系统压力仍偏低，则延时一段时间后，系统靠PLC程序把1#泵切换到工频运行，同时由PLC输出一个开关量给变频器的MRS端子，变频器瞬间禁止输出，此时PLC把运行时间最少的泵变频接触器接通后，撤掉禁止输出，相应的泵变频起动运行；延时切断1#小泵，系统中相应的一台大泵变频运行，压力自动调节，若系统压力平衡，则频率稳定在一个相对的范围，若频率到达50HZ后压力仍然偏低，则再投入一台大泵，比较剩下的泵的累计运行时间，时间少的先行投入，以此类推。注意，上行中，只要有一台大泵运行，则1#小泵要断开，大泵与小泵同时运行时，小泵的效率很低。 下行过程：当系统压力偏高，变频器运行在18HZ左右（18HZ以下泵的效率很低，经验值）时，PLC程序判断运行在工频状态的泵累计运行时间（若只有一台泵不作判断），运行时间最多的泵延时先行撤出，在撤出的瞬间，PLC控制变频器运行频率在50HZ，要不系统冲击过大，容易有水垂现象，延时一会儿后，再把 PID运算输出投入即可；以此类推。注意：下行过程中，到最后一台大泵运行时，频率在18HZ左右，系统压力仍然偏高时，则把1#小泵切换到变频运行。这种情况在夜间可能发生，当供水管网很大时，也许没有这个可能性。4.4 变频恒压恒温供水系统的构成及控制原理 从变频恒压供水的原理分析可知，该系统主要有压力传感器、压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成.系统主要的设计任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软启动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输。根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，本文选用通用变频器+PLC控制。 恒温系统，温度控制在40-60度之间，当传感器反馈的温度通过计算，平均低于40，则PLC控制锅炉加热至60度。4.5执行机构执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网. 通常这些水泵包括: (1)调速泵:是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。 (2)恒速泵:水泵运行只在工频状态，速度恒定，它们用以在用水量增大而调速泵的最大供水能力不足时，对供水量进行定量的补充. 此外，通常一些变频系统还会增设附属小泵，它只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很小的情况下(例如:夜间)对管网用水量进行少量的补充.4.6信号检测和控制系统4.6.1信号检测 在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压信号、液位信号和报警信号: (l)水压信号:它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行 冉刃 转换。另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测。检测结果可以送给PLC，作为数字量输入。 (2)液位信号:它反映水泵的进水水源是否充足。信号有效时。控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。此信号来自在安装于水源处(在乐山第一水厂设计中，为清水池水位)的液位传感器。 (3)报警信号:它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。4.6.2控制系统 供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(P比 系统)、变频器和电控设备三个部分:(1)供水控制器:它是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵成行控制. (2)变频器:它是对水泵进行转速控制的单元.变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有如下两种工作方式: 1)变频循环式:变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机。 2)变频固定式:变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择。 变频器的电控设备它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成.用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换及就地/集中等工作。4.7人机界面和通讯接口4.7.1人机界面 人机界面是人与机器进行信息交流的场所。通过人机界面，使用者可以更改设定压力，修改一些系统设定以满足不同工艺的需求，同时使用者也可以从人机界面上得知系统的一些运行情况及设备的工作状态。人机界面还可以对系统的运行过程进行监视，对报警进行显示。4.7.2通讯接口 通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换;同时通过通讯接口，还可以将现代先进的网络技术应用到本系统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等。4.8报警装置 作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断造成故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由P比 判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。4.9变频恒压供水系统的控制方案 变频恒压供水系统的控制方案有多种，有1台变频器控制1台水泵的简单控制方案，也有1台变频器控制几台水泵的方案，本文简单介绍单台变频器控制单台水泵： 单台变频器控制单台水泵的控制方案在国内通常是指是一台变频器控制一台水泵。由于全部变频系统中，变频器、控制器、电机均无备份设备，出现问题无法切换，故目前多适用于用水量不大，对供水的可靠性要求不高的场合。 值得一提的是，在国外或国内少数大企业，也有一种每台变频器只带一台水泵的运行方式，但它的控制方式与上面是不同的，这些泵站往往是同时配备了多台变频器配多台水泵，采用集中控制的办法，这种变频系统与国内水泵站常用的一台变频器控制单台水泵的工作方式是完全不一样的。在这种系统中，由于有多台变频器，各水泵既可以同时变频运行，也可以分别工频运行，使其可靠性、安全性、可调节性大大优于国内常见的各种控制方式，不过在成本上，也远远高于目前国内的常用的变频恒压供水系统。对三泵生活/消防双恒压供水系统的基本要求是：（1）生活供水时，系统应底恒压值运行，消防供水时系统应高恒压值运行；（2）三台泵根据恒压的需要，采用“先开先停”的原则介入和退出；（3）在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行的时间超过3H，则要切换到下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长；（4）三台泵在启动时要又软启动功能；（5）要有完整的报警功能；（6）对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。4.10 控制系统的I/O点及地址分配PLC要能够识别和接受描述现场设备的开关量，同时要能够发出控制信号控制一些执行设备，以便对现场设备进行控制。PLC是通过I/O单元完成此工作的。I/O单元是PLC与外部设备相互联系的通道，能输入/输出多种形式和驱动能力的信号，以实现被控设备与PLC的I/O接口之间的电平转换、电气隔离、串/并转换、A/D与D/A转换等功能。输入单元接受现场设备向PLC提供信号，包括人为的控制信号和能描述现场状态的开关量信号，例如由按钮、限位开关、继电器触点、接近开关、拨码器等提供的开关量。这些信号经过输入电路进行滤波、光电隔离、电平转换等处理后，变成CUP能够接受和处理的信号。输出单元将经过CUP处理的弱电信号通过光电隔离、功率放大等处理，转换成外部设备所需要的强电信号，以驱动各种执行元器件，如接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等。水位上下限信号分别位I0.1、I0.2，它们在水淹没时为0，露出时为1.表4.1 输入I/O分配表名称代码地址系统运行SF0I0.0系统关闭SF1I0.1报警试灯SF2I0.2报警消铃SF3I0.3温度过低报警信号SF4I0.4温度过高报警信号SF5I0.5压力过低报警信号SF6I0.6温度低信号SF7I1.0温度高信号SF8I1.1压力低信号SF9I1.2表4.2输出I/O分配表名称代码地址温度过低报警信号PG0Q0.0温度过高报警信号PG1Q0.1压力过低报警信号PG2Q0.2报警电铃PBQ0.3蒸汽开关KF0Q0.4冷气开关KF1Q0.5水泵电机KF2Q0.6 4.11变频恒压供水系统的水压恒定控制 在变频恒压供水中，整个变频恒压供水控制系统要根据检测到的输入信号的状态，按照系统的控制流程，通过变频调速器和执行元件对水泵组进行控制实现恒压供水的目的。这个控制过程是一个闭环过程，它的反馈信号是由压力传感器产生的供水压力，执行机构是变频器，通过控制系统将控制结果传输到变频器中，改造变频器的输出频率，从而使供水压力发生改变，完成整个控制过程。 对于一台变频器带两台或两台以上电机的系统，电机的控制通常按上节方案2所述流程进行. 在实际运用中，通常对水压的闭环控制都采用PID控制，电机增减的控制根据不同的情况有所不同，但多数采用频率、频率结合压力的方法来实现。通过对继电器控制特点的介绍和最初通用汽车公司提出的要求分析。PLC要想取代继电器控制，首先要解决外部设备的直接输入问题。由于当时主要集中在开关量控制，也就是开关量（触点的开闭状态）如何直接接入PLC并被PLC所识别，对此就需要解决以下几个问题：有源接入，无源接入，绝缘问题，隔离问题和互相干扰问题。PLC就是一个计算机控制系统，在其发展过程，人们曾将计算机直接用于工业控制，但是由于以下两大问题没有解决好而难以发展：一是I/O（输入/输出）问题，计算机不能直接和工业现场设备连接现在了应用；二是计算机的I/O功能，开关逻辑处理不够丰富和强大。现在的PLC成功的解决了这两个方面的问题，可以让PLC和外部设备直接进行物理的连接。计算机的内部提供了丰富的从位逻辑到双字运算的强大的运算功能，使其能够完成复杂的控制功能，这也是PLC能够迅速发展的原因。PLC已经完全取代继电器控制系统。只要对其控制机制有了准确的理解，才能对其持续的开发并创造性的使用它。I/O电路已经保证了PLC与现场设备的直接连接，并在内部寄存器存储了这些状态。但是，为了取代继电器的控制，更重要的是如何组织和使用这些开关量，从而达到软件程序代替硬件连线的目的。在这里通过对继电器的控制的电路的特点的介绍，已经知道继电器控制电路的特点在于各个控制单元是否动作是由其接点条件控制的，并不受其前后位置的影响。同一时刻，可有多个不同的控制单元继电器的动作（翻转），控制的结果、逻辑动作顺序也是由接点条件来控制的。这于计算机顺序执行的工作的特点是矛盾的。主要体现在：一是乱序，只要条件满足就执行；而另一个是顺序执行。PLC充分利用了计算机存储程序的思想和高速的特点，采用了控制系统中的离散控制方式，使它的控制能够完全代替继电器的控制。具体的说就是将连续的控制用离散的控制代替，如下式： Y(n)=f(x(n-1),y(n-1) 式中，Y（n）为某一时间段的输出值； Y（n-1）为上一时间段的输出值； X（n-1）为上一时间段某一